專利名稱：一種乙類放大器集成電路的制作方法
技術領域：
:本發明涉及一種乙類放大器集成電路，更確切地說，它涉及一種乙類放大器集成電路。閑置電流降到很小，在同樣的情況下也降低了失真的情況。這種放大器適合應用于助聽器。
技術背景:諸如在助聽器中使用的乙類放大器通常具有一個三級直接耦合晶體管預放大器，其后連接晶體管輸出級。在放大器中失真一直是一個問題，一個主要原因是，隨著電流流過三極管使它的增益增加。因此，當放大器接收到一個適合的輸入信號，將導致輸出三極管的電流更加變大，從而增加輸出三極管的增益。增加的電流使增益可能高達500。不幸的是，前置三極管的增益(被稱為第三級前置放大三極管)減少的沒有輸出三極管增加得多(因為不同的電阻負載直接耦合到各種不同的放大三極管上)，將導致總增益隨著電流的增加而增加。結果將輸出失真的波形。傳統的解決這個問題的方法是使輸出三極管承載相對較高的閑置電流，這樣輸出三極管電流的變化量以及信號變化所導致的增益的變化會減少。對于實現低電壓直接耦合放大器助聽器還存在另一個困難是助聽器接收器負載，它的阻抗隨著頻率的變化而變化。一般來說，助聽器的阻抗隨著頻率的增加而增加。現有技術的乙類放大器輸出三極管的增益的變化大多數都正比于負載阻抗，因此諧波信號將比基波得到更多的放大。這將產生更大的失真。
發明內容:本發明的目的是提供一種乙類放大器集成電路，隨著閑置電流或待機電流的減小，失真的現象也變小。為此，本發明提供了一種雙通道放大器，每個通道的輸出三極管的集電極連接在一起，通過一個大阻值的純電阻組成的反饋回路，連接到與之對應的第一級前置放大三極管的集電極。交流負反饋大大減小了失真現象，使得工作在待機狀態下失真現象較小的閑置電流50微安遠小于現有技術的許多乙類放大器的閑置電流500微安。每條交流反饋回路中與輸出三極管的集電極相連接的電阻部分與電源電壓是隔離的，從而允許輸出三極管的集電極端的電壓比電源電壓高出0.6伏特。此外，共模抑制是由至少一對(最好兩對)前置放大三級管的發射極連接在一起通過一個電阻接地所提供。本發明提出的乙類放大器集成電路具有兩個相同的大幅放大通道，每個放大通道都是獨立的，至少有一對前置放大三極管的發射極相連接在一起，通過電阻的端子接地以提供前置放大器的共模抑制，輸出三極管的負載有一個中心抽頭和一對負載終端，輸出三極管具有相同的極，輸出三極管的發射極連接在一起，其中一個輸出三極管的集電極與其中一個負載終端相連接，另一個輸出三極管的集電極與另一個負載終端相連接。進一步，每個前置放大器通道有三個前置放大增益三極管，包括第一級前置放大三極管，第二級前置放大三極管和第三級前置放大三極管，所有的前置放大三極管都為直接耦合三極管，第三級前置放大三極管即為直接耦合的輸出三極管，直流負反饋環路從第三級前置放大三極管的集電極連接到第一級前置放大三極管的基極以調節直流電流輸出三極管，第一級前置放大三極管的集電極與第一個電阻的一個端子相連接，第一個電阻的另一端與一個結點相連接連到第二個電阻的一端，第二個電阻的另一端與電源的端子相連接，第一個電阻的阻值遠大于第二個電阻的阻值，一個大阻值純電阻交流負反饋回路，以減少流過每個通道中輸出三極管的電流增益，負反饋回路由一個反饋電阻本身和一對電阻端子構成，電阻的一個端子與輸出三極管的集電極相連接，電阻的另一個端子與一個結點相連接，反饋電阻的阻值遠大于第二個電阻的阻值，反饋電阻本身與電池是獨立的，所以反饋電阻可以調節其本身的電壓以高于電池電壓，補償電路，包括一個電容與第一個前置放大三極管的基極相連接。進一步，第二對前置放大三極管的發射極連接在一起，通過電阻端子接地，為前置放大的第二階段提供共模抑制。進一步，第三階段的前置放大三極管的發射極連接在一起，通過第三個電阻接地；第二階段的前置放大三極管的發射極連接在一起，通過第四個電阻接地；有一個電流源與第四個電阻并聯耦合連接，該電流源的端子同時連接在一個三極管的集電極與發射極之間。進一步，第一階段和第二階段的前置放大三極管的發射極連接在一起，通過同一個電阻接地。襯底上反饋電阻是導電材料相同的材料制成，襯底本身是絕緣的。襯底盆區是由導電性質相反的材料組成的，盆區與電池不直接連接。反饋電阻緊鄰著盆區的邊緣。
:圖1所示是本發明的具體表現。圖2所示是本發明橫斷面絕緣基板上的交流反饋電阻與電池相隔離。圖2A所示是本發明平面顯示如圖1中的一個變阻器。圖3所示是本發明的第二種體現。圖4所示是本發明的第三種體現。
具體實施方式
:首先如圖1所示，乙類放大器集成電路2有一個輸入信號源4。信號源4通常是助聽器的話筒與雙端相連接。信號源4助聽器話筒有一個單端輸出信號，相位分配器將麥克風信號轉換成雙端信號。乙類放大器集成電路2包括一個雙通道前置放大器6，相同的通道8，10。每個通道的放大器單端輸入的信號為輸入電壓的一半。從雙通道前置放大器6得到的信號被輸出級12進一步放大，然后通過變壓器14被送到負載16。現在將詳細描述前置放大器通道8和輸出級12的一半。由于第二級前置放大通道10和輸出級12的第二個一半被視為相同的第一部分，第二部分是指暫時用參考數字表
/Jn ο前置放大器通道8分為三個階段，有三極管Ql，Q2，Q3組成，都為NPN三極管。(前置放大級數通常都為奇數。)輸入信號源4的一個端子通過電容C2連接到第一級三極管Ql的基極,三極管Ql的發射極通過電阻R2接地。三極管Ql的集電極通過電阻R3和R4接到電池Vb的正極，同時與第二級三極管Q2的基極相連接。三極管Q2的集電極通過電容C3和電阻R12連接到三極管Ql的集電極，同時通過電阻7連接到電池Vb的正極，另外還與第三級三極管的基極相連接。三極管Q2的發射極通過一個并聯電路接地,并聯電路由電阻R5和三極管Q5組成。第三級三極管Q3的發射極通過電阻R6接地。三極管Q3的集電極通過點R8和RlO連接到電池Vb的正極，同時也連接到三極管Q4的基極，形成輸出級的一半部分。三極管Q4的發射極接地，它的集電極與變壓器14的初級繞阻18的中心抽頭的一端相連接。(該中心抽頭與電池Vb的正極相連接。)變壓器14的二級繞阻與負載16相連接。對于傳統的乙類放大器，當輸入前置放大器的輸入電壓不同時，(三極管Ql，Q1’的基極)，每個通道8，10的有效放大的單端信號之間的相位差為180度。被放大了的信號輸入輸出級12，即從三極管Q4，Q4’的基極輸入。因為輸出三極管Q4，Q4’有開啟和關閉兩個狀態，即當輸出三極管Q4, Q4’中的一個關閉的時候,另一個將工作在輸入信號的一半周期內，反之亦然。當輸出三極管Q4，Q4’的集電極上出現半波信號時，結合變壓器14上相位的差異，通過負載16重組完整的正弦波。它的一個重要的特點是乙類輸出級能夠提供高信號功率和非常低的閑置靜態電流，這是助聽器的一個重要應用。為了控制輸出級三極管Q4，Q4 ’中的閑置電流，一個直流負反饋電路將三極管Q4，Q4’的電壓穩定在一個常數。直流反饋電路由一個電阻連接到前置放大輸出級返回到第一級前置放大三極管組成。該電阻從電阻R8，R10讀卡器通過電阻R9和Rl連接到三極管Ql的基極。通過該反饋電路的交流信號將被電容Cl短路接地，否則交流信號將通過電阻Rl被反饋到三極管Ql的基極。如前所述，現有技術的乙類放大器的一個主要的缺點是大信號輸出存在失真現象。原因如下，當打開三極管Q4，電流通過三極管增加了直流閑置電流(可低至50微安)到一個峰值電流，可高達25毫安，即瞬間可增加500倍。因為三極管Q4的增益正比于通過它的電流，所以增益的系數也會增加高達500倍。三極管Q3的負載與三極管Q4，電阻R8和RlO并聯(電阻R9的阻值非常大，可以近似的被忽略不計)。三極管Q4的輸入阻抗與通過它的電流成反比，與電流增加同一級數的減少，減少的系數大概為500。然而，因為電阻R8和RlO的影響三極管Q3的負載減少的將不會達到500，反而會遠小于它。具體地說，如果三極管Q4到三極管Q3的阻抗為RinQ4，三極管Q3上的負載為RL3。由于電阻R8和RlO的影響，三極管Q3的負載，稱為RL3，將不會與三極管Q4的輸入阻抗RinQ4成正比。隨著三極管Q4的輸入阻抗的減小(因為通過三極管Q4的電流增加)，三極管Q3的負載也較小幅度的減小。由于三極管Q3的增益正比于三極管Q4的負載，但是三極管Q3增益增加的幅度并不與三極管Q4增加的幅度一樣大。因為大信號被放大遠大于小信號，這就產生了失真。這就導致負載16上的波形失真。當負載由變壓器14和電阻16組成時，失真將會變得更嚴重，取而代之的是一個典型的助聽器輸出傳感器(接收器)。由于輸出級三級管Q4，Q4’正比于負載阻抗，接收器的阻抗隨頻率的增加而增加，諧波產生的失真大于基波，因此，失真較為明顯。[0028]現有技術的典型放大器試圖采用增加閑置電流來解決這個問題。(減少輸出三極管的電流。)輸出三極管上的閑置電流為200微安或以上是常見的。當有比較大的閑置電流時，乙類助聽器有多余十分之一的失真也是常見的。本發明采用了新穎的電路，允許在三極管的輸出級減少閑置電流(通常輸出三極管的為50微安)，以致失真現象要比現有技術的乙類放大器擁有200微安的閑置電流要小。實際上，根據發明，對于一個典型乙類放大助聽器具有約百分之二的失真現象，那么在現有技術的乙類放大助聽器中的閑置電流約為500微安。本發明的一個重要特征是，它提供了一個新的交流負反饋電路，其中每個輸出三極管Q4，Q4’的集電極耦合在一起，分別通過電阻Rll，R13和Rll’，R13’與第一級三極管Q1，Q1’的集電極相連接。這使得放大器的線性增益由于非線性輸出而減小失真。這一反饋電路使得放大器的增益與負載阻抗更加獨立，從而大大減小了失真現象。如接收器使用的頻率負載。當三極管Q2，Q3，Q4的開環增益乘以電阻R11/R4的比率的值遠大于I的時候，組合電路的增益(前置放大器和輸出級)將更加依賴于輸出級電流。如描述的結尾表I所示，與電阻Rll和R3相比，電阻R4的阻值很小。)如前所述，輸出三極管中的50微安閑置電流將導致大約百分之二的失真，這是能夠被接受的。交流反饋回路通過電阻R11，防止它影響到之前所述的直流反饋回路和第一級三極管Ql的輸入阻抗，并沒有與三極管Ql的基極相連接。在助聽器放大器中三極管Ql的小輸入阻抗是不可取的，因為它將減小增益，使得音調很難控制。另外，負反饋電路由電阻Rll通過第一級前置放大級與三極管Q1’的基極相連接構成(這被稱為交叉偶聯)。如果傳感器不能用作一個很好的變壓器，交流反饋回路將很難被定義，將造成不可預知的電路增益，也可能增大失真。為了穩定放大器的兩個反饋回路，利用電阻R12和電容C3作為補償電路。這將引入一個端子和一個零地點，這大大的提高了放大器的穩定性。該放大器通常制作成以P型襯底(以三極管類型而定)的集成電路。在這種電路中，集成電阻通常作為P型擴散外延在N型區域的上面。外延區域通常有直流偏置電壓，以防止擴散層擴散到襯底。然而，在本發明的電路中，由于變壓器的影響，輸出三極管Q4，Q4’集電極上的電壓會低于正常工作的電壓或在其附近浮動。當擴散層上的直流電壓高于0.6伏特時，該擴散層電阻R11，R11’將起到二極管的作用，減少輸出。為了防止這種情況，對于電阻Rll，RlI’有另外一種非常規接法。如圖2所示，在P型襯底上形成的電路標明為30，被視為接地(傳統的認為)，電阻Rll是P型材料32在N型外延材料盆區34的上面。接觸電阻Rll標明為36，38。這將被認為盆區34向左移動，而沒有接觸。在這種方式下，當把接觸電阻放在電池的上面或者下面時，由P型材料32形成的二極管和N型盆區34將減少輸出。電阻的作用有時是獨立的，如采用厚膜或薄膜沉積技術，或離散型外部電阻器。值得注意的是，雖然電阻Rll，R11’的作用與電池電壓，襯底30，還有其他的部件(它們都位于盆區34上)之間相互獨立，其余的電阻如果需要將全部位于一個有偏置電池電壓的基板上。如圖2所不,一個基板50上包含一個電阻52與54相接觸。電阻52與圖1除了電阻Rll和R11’中的其余電阻都一樣。圖1中除了電阻Rll和R11’的其余電阻都位于同一個基板50上。基板50上的偏置電壓由電池提供。基板上的電阻偏置電壓提供50與襯底30之間的反向偏壓漏極電流，因此電流不需要電阻提供。如果漏極電流由基板上的電流提供的話，這將影響PNP三極管，造成過大的電流從電阻流到基板上。然而，電阻電壓可以可能會高出電池電壓0.6伏特以上(如電阻Rll和R11’的作用)，三極管將肯定會產生不可預知的影響。因此，襯底上的電阻Rll和R11’與電池相互獨立，三極管不可預知的電流增益通過盆區34的作用將盡可能的小。如圖2所示，盆區34的邊緣靠近構成電阻Rll的材料32。換句話說，盆區34和襯底30之間的空間距離盡可能的小。本發明的另一個功能是共模抑制。在助聽器中共模抑制是特別重要的，因為典型的助聽器電池的輸出阻抗在二到十五歐姆之間。這將導致電池線性電壓與被放大的電壓一樣大。電池線性電壓通過常規的信號路徑電路與前置放大器的集電極相連接，將導致不穩定或者失真。由于兩個通道的線性電壓相同，所以輸出信號的相位偏差180度，重要的是，放大器可以區分信號的異同情況，相同信號的增益將遠小于不同信號的增益。共模抑制或者CMR是衡量不同比例的增益。如圖1所示電路中第三級放大級的共模抑制或者CMR是由電路三極管Q3，Q3’的集電極與結點40連接在一起，通過電阻R6接地所提供。有了這種連接，當三極管Q3，Q3’的基極上出現正向信號時，這將導致三極管很難工作，同時，它們的發射極可能會正偏。不好的結果是三極管Q3，Q3’上的基極和發射極之間的電壓將不會改變(對于第一種類似情況)，因此共模信號將放大很小或者沒有放大。然而，當三極管Q3，Q3’基極上出現差模信號時，如三極管Q3的基極上出現正向偏置，三極管Q3’的基極上出現相應的反向偏置，那么結點40上的變化將很小(三極管Q3上發射極的正向變化將被三極管Q3’發射極上的反向變化所抑制)。因此，三極管基極與發射極之間的電壓變化很大，將導致三極管Q3基極上的正向信號被放大。其結果是，共模信號被放大的遠小于差模信號，即該階段有共模信號。相比之下，因為電阻R2，R2’將減小共模信號的增益，同樣的也會減小差模信號的增益，所以三極管Q3，Q3’沒有CMR。第二級前置放大階段，有三極管Q2和Q2’通過三機管Q5和電阻R5提供CMR。具體地說，三極管Q2和Q2’的發射極與結點42連接在一起，通過電阻R5接地。三極管Q5的集電極與發射極電路與電阻R5并聯。三極管Q5相當于一個電源，它的基極通過二極管元三極管Q6相連接。三極管Q6的集電極通過電阻R13與電源Vb的正極相連接，電流通過三極管Q6流向三極管Q5。在理想情況下，電阻R5和三極管Q5通過結點42接地電路將提供優化的CMR(因為電流源是由三極管Q5構成的，理論上的阻抗為無限大)。然而，如果結點42只通過由三極管Q5構成的電源接地，則結點42的電壓將不受約束，作為確定的電流源，可以是任何值。這將影響由第二級三極管Q2和Q2’所提供的直流增益，同時也影響由電阻R9和Rl組成的直流反饋回路。然而，有限電阻從結點42接地需要限制三極管Q2，Q2’發射極上的電壓，所以將電阻R5與三極管Q5并聯。值得注意的是，當對這一階段的CMR沒有影響的情況下，小電阻可以插入三極管Q3，Q3’發射極和結點40之間或者三極管Q2，Q2’發射極和結點42之間。其次參考圖3，與圖1很相似，在圖3中，相應的參考文獻已經在圖1中標明。圖3中的電路增益比圖1中的增益要小得多，因此，圖3中的三極管Q2，Q2’都為PNP型。因為三極管Q2和Q2’的發射極與集電極之間的電流為三極管Q3和Q3’基極上的有效電流，圖3電路中的電路增益和電壓需求都比圖1中的小。圖3電路中的共模增益由三極管Q3和Q3’的發射極連接在一起，通過電阻R14接地，同樣地，三極管Ql和Q1’的發射極連接在一起，通過電阻R14接地所構成。如圖3所示可知，電容C3和C3’需要大量的充電電流以跟蹤信號。在某些情況下，三極管Q2集電極上的電流太小而沒有足夠的充電電流，導致失真。因此，用虛線表示，電阻R20，R20’通過三極管Q2，Q2’的集電極接地，從而增加了 Q2，Q2’級上的電流。電阻R21連接在三極管Q2和Q2’的集電極之間，以增加補償增益。因為電阻R20，R20’導致三極管Q2，Q2’集電極電流增加。此外，如果需要，可以利用額外的電阻R22，R22’，如圖中用虛線表示，分別在三極管Q3，Q3’的集電極之間，三極管Q4，Q4’的基極之間，從而使三極管Q4進一步的線性工作(減少三極管Q4，Q4’輸入阻抗的電流失真)。除了這些變化，圖3所示的電路與圖1所示的電路基本相同。其次參考圖4所示電路，與圖1也幾乎相同，與圖1中標明的部分參考數據相對應。圖4所示電路與圖1所示電路的區別在于圖4電路中，沒有三極管Q5和電阻R5，沒有了第二級前置放大CMR。相反，第一級的CMR由三極管Ql，Q1’的發射極連接在一起通過R6接地所提供。此外，沒有了補償電阻R12。圖1中一些器件的值如下面的表I所示:表I
權利要求1.一種乙類放大器集成電路，其特征是:具有兩個相同的大幅放大通道，每個放大通道都是獨立的，至少有一對前置放大三極管的發射極相連接在一起，通過電阻的端子接地以提供前置放大器的共模抑制，輸出三極管的負載有一個中心抽頭和一對負載終端，輸出三極管具有相同的極，輸出三極管的發射極連接在一起，其中一個輸出三極管的集電極與其中一個負載終端相連接，另一個輸出三極管的集電極與另一個負載終端相連接。
2.根據權利要求1所述的一種乙類放大器集成電路，其特征是:每個前置放大器通道有三個前置放大增益三極管，包括第一級前置放大三極管，第二級前置放大三極管和第三級前置放大三極管，所有的前置放大三極管都為直接耦合三極管，第三級前置放大三極管即為直接耦合的輸出三極管，直流負反饋環路從第三級前置放大三極管的集電極連接到第一級前置放大三極管的基極以調節直流電流輸出三極管，第一級前置放大三極管的集電極與第一個電阻的一個端子相連接，第一個電阻的另一端與一個結點相連接連到第二個電阻的一端，第二個電阻的另一端與電源的端子相連接，第一個電阻的阻值遠大于第二個電阻的阻值，一個大阻值純電阻交流負反饋回路，以減少流過每個通道中輸出三極管的電流增益，負反饋回路由一個反饋電阻本身和一對電阻端子構成，電阻的一個端子與輸出三極管的集電極相連接，電阻的另一個端子與一個結點相連接，反饋電阻的阻值遠大于第二個電阻的阻值，反饋電阻本身與電池是獨立的，所以反饋電阻可以調節其本身的電壓以高于電池電壓，補償電路，包括一個電容與第一個前置放大三極管的基極相連接。
3.根據權利要求1所述的一種乙類放大器集成電路，其特征是:第二對前置放大三極管的發射極連接在一起，通過電阻端子接地，為前置放大的第二階段提供共模抑制。
4.根據權利要求2所述的一種乙類放大器集成電路，其特征是:第三階段的前置放大三極管的發射極連接在一起，通過第三個電阻接地；第二階段的前置放大三極管的發射極連接在一起，通過第四個電阻接地；有一個電流源與第四個電阻并聯耦合連接，該電流源的端子同時連接在一個三極管的集電極與發射極之間。
5.根據權利要求2所述的一種乙類放大器集成電路，其特征是:第一階段和第二階段的前置放大三極管的發射極連接在一起，通過同一個電阻接地。
6.根據權利要求2所述的一種乙類放大器集成電路，其特征是:襯底上反饋電阻是導電材料相同的材料制成，襯底本身是絕緣的，襯底盆區是由導電性質相反的材料組成的，盆區與電池不直接連接。
7.根據權利要求6所述的一種乙類放大器集成電路，其特征是:反饋電阻緊鄰著盆區的邊緣。
專利摘要一種乙類放大器集成電路，其特征是低電壓，低功耗，直接耦合乙類放大器集成電路具有雙通道三級前置放大器和一對輸出三極管，且每個通道有一個輸出三極管。在每一個通道中，有一個直流負反饋從最后一級前置三極管的集電極連接到第一級前置三極管的基極，以調節直流電流；有一個電阻交流負反饋從輸出三極管的集電極連接到第一級前置三極管的集電極，以減小通過輸出三極管的電流增益，從而，大大降低了通過輸出三極管的電流，同時也降低了輸出失真的概率。每個交流負反饋中的電阻是可變電阻，使得它本身的電壓比電源電壓高出0.6伏特以上。每個通道的共模抑制至少提供了三個前置放大器三極管中的兩個。
文檔編號H03F3/20GK202978831SQ20122026727
公開日2013年6月5日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者包興坤 申請人:蘇州硅智源微電子有限公司